紡織業(yè)超聲波運用
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1超聲波
超聲波是一種人們聽覺無法感知的振動波，它的頻率很高，一般超出人類聽覺范圍。超聲波與電磁波相似，可被反射、折射和聚焦，其不同之處在于：前者傳播時需要彈性介質(zhì)，而后者則可在真空中自由傳播。在固體介質(zhì)中超聲波的縱向波和橫向波均可傳播，而在氣體和液體介質(zhì)中只有縱向波可傳播。紡織品染整加工一般為液液、液固相體系，因此對超聲波縱向波的研究更為重要。超聲波在傳播過程中，彈性介質(zhì)中粒子產(chǎn)生振動并沿傳播方向傳遞能量，從而產(chǎn)生機械效應(yīng)、熱效應(yīng)和聲空化現(xiàn)象。所謂聲空化，是液體中氣泡在聲場作用下所發(fā)生的一系列動力學(xué)變化的過程。具有足夠強度的超聲波通過液體時，將經(jīng)過壓縮、高壓、松弛和低壓4個階段。當聲波負壓半周期的聲壓幅值超過液體內(nèi)部靜壓強時，存在于液體中的微氣泡也稱空化核就會迅速增大，形成直徑可達500μm的氣泡；而在相繼而來的聲壓正壓相中的氣泡又被突然絕熱壓縮，直至“爆炸”。這一瞬間在氣泡及其周圍微小空間內(nèi)出現(xiàn)“熱點”，形成高溫高壓區(qū)。介質(zhì)局部溫度可達攝氏幾百度，壓力超過數(shù)百大氣壓，并伴有強大的沖擊波、射流以及瞬間放電發(fā)光。這些條件足以打開結(jié)合力強的化學(xué)鍵，并能促進“水相燃燒”反應(yīng)，為促進和啟動化學(xué)反應(yīng)創(chuàng)造了極好的物理環(huán)境。聲空化作用的產(chǎn)生取決于許多因素，例如聲波的頻率和強度、液體介質(zhì)的溫度以及介質(zhì)的蒸汽壓等。誘導(dǎo)產(chǎn)生聲空化現(xiàn)象的超聲波頻率以20～50KHz最為合適。過高的頻率不易產(chǎn)生空化作用，即使產(chǎn)生也需要大量的能量，而且其中大部分能量被轉(zhuǎn)化為熱能，使介質(zhì)溫度明顯提高。低強度超聲波的應(yīng)用不會引起介質(zhì)的任何狀態(tài)變化，只有高強度超聲波的應(yīng)用才可能對介質(zhì)有強烈的影響，引發(fā)聲空化作用。對大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)來說，反應(yīng)速度均隨聲強的增加而增加。但是，超聲波強度的作用受介質(zhì)溫度的影響很大。研究表明，隨著液體溫度的提高，聲強的影響明顯下降，在50℃水中發(fā)生的空化效應(yīng)最大。
2超聲波的作用機理
2.1超聲波對纖維高分子物的作用
根據(jù)力學(xué)理論，任何材料的損傷和破壞都起源于材料中的原始缺陷和裂縫。當超聲波作用于纖維材料時，必然在材料的原始缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變能的集中。超聲波所傳遞的能量有一部分轉(zhuǎn)化為裂縫擴展新表面所需的能量，引起裂紋的擴展，致使纖維的表面如同被腐蝕一樣，大大增加了吸附整理劑（或染料）的纖維比表面積。但纖維微結(jié)構(gòu)的變化也帶來了纖維強力等物理機械性能的變化，因此必須把這種損傷控制在所允許的限度內(nèi)，才能保證超聲波染整的進行。
2.2超聲波對整理液的作用
以超聲波染色為例，超聲波在整理液中的作用，一般認為有三個方面。
2.2.1分散作用
超聲波不但能使染液中的染料顆粒聚集體解聚，而且還可以將染料分散于浴中，將染料顆粒擊碎，獲得粒度為1μm以下高穩(wěn)定性的分散液，促進了染料對纖維的上染。此外，超聲波可以提高水溶性和難溶性染料在染液中的溶解度。
2.2.2脫氣作用
超聲波的空化作用可將纖維毛細管或織物經(jīng)緯交織點中溶解或滯留的空氣排除，從而有利于染料與纖維的接觸，加速了纖維對染料的吸收。
2.2.3擴散作用
超聲波染色的空化作用可以穿透覆蓋纖維的隔離層，從而促進染料向纖維內(nèi)部的擴散。另一方面，超聲波染色還可能增加纖維內(nèi)無定形區(qū)分子鏈段的活動性，加速了染料的擴散速度。
3超聲波在紡織工業(yè)中的應(yīng)用
3.1在退漿工藝中的應(yīng)用
在紡織品退漿過程中，應(yīng)用超聲波可加速織物上漿膜的膨化和脫離，從而提高織物的退漿效率。在退漿過程中，超聲波空化作用引起的分散作用可以使大分子之間產(chǎn)生分離，促進漿料與纖維的粘著變松，而超聲波引起的乳化作用可以使去除的漿料溶解性能提高，使其具有較好的退漿效果，并且超聲波的吸熱效應(yīng)可使反應(yīng)保持在一定的溫度，為反應(yīng)提供能量，從而節(jié)省了其它能量。
3.2在煮練工藝中的應(yīng)用
超聲波在煮練工藝中的作用主要是源于空化作用而引起的彌散作用、乳化作用、洗滌作用以及解聚作用。超聲空化作用使粘附在纖維上的污物表面張力降低，在各個表面上和低處起著清潔作用，同時空化作用使污物和油垢得以乳化，協(xié)助清除油垢和污物。超聲波洗毛可以降低洗毛溫度、縮短洗毛時間、降低凈洗劑用量，且在一定條件下，不用凈洗劑或溫度低于羊毛脂熔點仍可達到洗凈毛的質(zhì)量要求。利用超聲波洗毛所得洗凈毛蓬松性好，羊毛纖維之間不發(fā)生糾纏，白度高，洗凈毛中幾乎無細小雜質(zhì)；超聲波作用后，羊毛鱗片變鈍變光，降低了羊毛纖維摩擦效應(yīng)，且作用時間越長，降低幅度越大，從而改善羊毛纖維的氈縮性。麻脫膠中，超聲波脫膠比預(yù)酸處理效果好，且作用時間短，可采用流水線處理工藝。超聲波對苧麻原麻中的膠質(zhì)成分有分散作用，且隨頻率、功率不同分散效果不同。超聲波的分散作用使麻的膠質(zhì)與纖維分開，再利用超聲解聚作用使膠質(zhì)去除。不同頻率、功率超聲波對麻纖維進行短時間預(yù)處理，完全可以代替費時的浸酸處理工序，有利于麻纖維的脫膠工藝自動化和連續(xù)化。絹紡原料精練中，超聲波可加速絲膠溶解，使纖維充分分散。超聲波的除油、除膠效果明顯比常規(guī)處理好，尤其對含油較高的原料，處理效果尤其好，不僅不用進腐化缸，而且不需高溫、高pH值和長時間。經(jīng)過超聲波處理過的原料，白度高、纖維松散，易與蠶蛹分離。
3.3在漂白工藝中的應(yīng)用
在漂白工藝中主要應(yīng)用的是超聲波的空化作用。超聲波的空化作用可以使藥劑與纖維充分接觸，一方面超聲波作用于纖維，使纖維內(nèi)部的比表面積加大，從而增大了纖維吸附化學(xué)藥劑的比表面積，提高反應(yīng)速率；另一方面超聲波的空化作用可有助于破壞發(fā)色體系，從而起到消色的作用。采用超聲波對棉織物進行雙氧水漂白，觀察到織物漂白速度提高，漂白時間縮短，而被處理織物白度更佳，優(yōu)于傳統(tǒng)的漂白方法。同時，用超聲波處理后的漂白棉織物對于直接染料、活性染料上染率的提高是很有效的，活性染料染色時，纖維—染料的共價鍵形成是良好的和穩(wěn)定的。有關(guān)超聲波對亞麻加工影響的研究表明，與傳統(tǒng)練漂的亞麻纖維比較，纖維白度得到提高。
3.4在染色工藝中的應(yīng)用
因為產(chǎn)生空化效應(yīng)的最佳溫度為50℃，故超聲波染色的溫度通常采用45～65℃，屬于低溫染色。染色過程中部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，故染浴無需外加熱能。由于它屬于低溫染色，因此可以改善染色工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。例如，應(yīng)用超聲波染色可避免由于高溫沸染對蛋白質(zhì)纖維和部分化學(xué)纖維所造成的損傷，同時還可以使難以在高溫下進行的處理工藝得以順利進行。因此，超聲波染色是一種很有前途的染色方法。紡織品的染色是一種多相的體系，包括作為固相的織物、作為液相的染液和截留在織物交織點纖維空隙內(nèi)以及纖維毛細管中的空氣和氣泡。超聲波的空化作用可使氣泡離開固相表面而進入流動相，并從該處由于空化作用而立即除去。這不僅有利于染料和纖維間的接觸，并提高了纖維表面染料的吸附率，因其提供額外動能給染料分子，克服了排斥力，有利于纖維對染料的吸收。因此，超聲染色對提高厚密織物的染色效果更為顯著。同時，超聲染色的空化作用可以穿透覆蓋纖維的隔離層，從而促進染料向纖維內(nèi)部的擴散。研究表明，超聲染色與常規(guī)染色相比較，可提高擴散系數(shù)達30%，染色活化能明顯下降，超聲波可能增加纖維內(nèi)無定形區(qū)分子鏈段的活動性，使高分子側(cè)序降低，可使纖維的結(jié)晶度下降。在超聲波存在下使用活性染料對纖維素纖維染色，超聲波可提高染料對纖維的親和力，加速染料的吸收，提高染料的上染率和纖維的給色量，在相同條件下超聲波染色的纖維顏色明顯加深，也就是說超聲波染色可顯著地縮短染色時間，或者在相同的染色條件下降低染液的染料濃度；超聲波染色可以不用或少用在常規(guī)染色中所使用的各種助劑，因此超聲波染色還能明顯地改善染色廢液對環(huán)境的污染程度。使用堿性、酸性和金屬絡(luò)合染料對絲纖維進行染色的研究表明，在超聲波存在下，上染絲纖維的染料量與對照樣相比有所增加。此外，應(yīng)用超聲波能在相當?shù)蜏囟认?、較短時間內(nèi)對絲纖維進行染色，上染率較高且纖維強度基本保持不變。對合成纖維的試驗表明，應(yīng)用超聲波可改變纖維的微細結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)織物的低溫染色，從而減少污染，節(jié)約能源，還可促進染料的溶解和分散，加速染料的上染，改善紡織品的透染程度。
3.5在洗滌工藝中的應(yīng)用
實驗表明，將超聲波應(yīng)用于羊毛的洗滌加工中，洗滌時間可以從3h縮短至15～30min，而洗滌效果相同。洗滌效率主要取決于超聲波強度，強度為129W/cm2時達到最大洗滌效率。這是由于空化作用產(chǎn)生強大沖擊波并作用于被洗織物，因而減弱了雜質(zhì)粒子和織物之間的分子粘附力，外來雜質(zhì)則被分離并分散于洗滌液中。在超聲波洗滌織物時，在快速的空穴作用以后，被洗滌的織物即受到強力的振動，此作用減弱了雜質(zhì)顆粒與織物之間的分子粘附力。在這種情況下，沾污織物表面的外來物被分離，并分散至洗滌溶液中。
3.6在后整理中的應(yīng)用
在超聲波存在下，聚酯織物在不同濃度堿液中處理10～60min，結(jié)果表明，隨堿液濃度的提高和處理時間的延長，織物的手感和防皺性能較佳，但撕破強力有所降低。將8～18kHz超聲波用于脲醛樹脂對棉織物的整理工藝的實驗表明，整理織物即使經(jīng)過60次水洗后，其彈性回復(fù)角也遠高于常規(guī)工藝整理后的織物。由于樹脂在纖維內(nèi)部的滲透更深，使纖維超分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，故織物強力損失略有增加。另外，超聲波在紡織品粘合、切割以及紡織品烘燥中也得到了應(yīng)用。超聲波粘合只在實際粘合面上產(chǎn)生熱能，因此消除了纖維降解，使獲得的產(chǎn)品更加持久耐用。并且超聲波粘合不產(chǎn)生污染物質(zhì)，有利于環(huán)境保護，消除了化學(xué)工業(yè)一大弊病，符合世界衛(wèi)生組織有關(guān)條例。超聲波切割適用領(lǐng)域廣，從天然纖維、合成纖維到高性能纖維；從機織物、針織物到非織造織物。與冷切割工藝相比，熱塑性材料的超聲波切割與熔接可同時進行。與熱切割工藝相比，超聲波切割加工后的布邊柔軟，切割均勻，無厚度變化，無超厚現(xiàn)象，不產(chǎn)生焊珠。由于材料是從里向外加熱，溫度也不高，因此切割處顏色不發(fā)黃，加工過程對環(huán)境無害。加工過程不產(chǎn)生煙霧與臭味，消除了燒傷與燒焦的危險。在紡織工業(yè)中，最常用的是使用熱對流和熱輻射方法將熱能傳遞到紡織品上，但這兩種方法并不符合所有工藝要求，要么熱傳遞過程太緩慢，要么會在熱傳遞的同時產(chǎn)生整理劑泳移類的毛病。使用超聲波可使烘燥速度明顯加快，其作用機理是超聲波將待烘燥的織物表面的水膜拆散并減少分散臨界層，同時稍許升高烘燥織物上的溫度。
4結(jié)語
超聲波可用于改善多種紡織品染整加工工藝，例如退漿、煮練、漂白、染色、后整理與洗滌。它在染整加工中的使用具有許多優(yōu)點，如減少加工時間，降低化學(xué)品的消耗和能量損耗，改進產(chǎn)品質(zhì)量等。但也存在不少問題，如加工成本高、超聲波的方向性和噪音控制等。由于超聲波設(shè)備的昂貴費用，實際上很少應(yīng)用于工業(yè)大生產(chǎn)中。隨著科技的發(fā)展和超聲波設(shè)備在其他工業(yè)領(lǐng)域的推廣中應(yīng)用，高性能超聲波設(shè)備的價格有望降低，這也是近來興起超聲化學(xué)熱的真正推動力?？傊瑥母咝Ш蜕先韭矢叩确矫鎭砜紤]，超聲波在染整加工中的應(yīng)用還將有良好的發(fā)展前途和廣闊的應(yīng)用前景。